CC BY
21
УДК 303.732.4:303.832.33
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДЫ ОБЛАСТЕЙ ЗНАНИЙ (БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ)
© 2004 г. К.И. Костенко, Б.Е. Левицкий
Results of construction and the analysis of model of the intellectual integrated digital fields of knowledge with structural and functional descriptions of digital knowledge fields components, focused on application for training and professional work are stated.
Введение
Создание интеллектуальных информационных сред (ИС) и систем, ориентированных на решение профессиональных задач на основе обработки массивов знаний, включающих результаты научных исследований, эмпирические знания и опыт специалистов, является одним из приоритетных направлений в области приложений информационных технологий. Фундаментальный обзор исследований и технологий в данной области содержится в [1-3]. Большое количество публикаций, посвященных проблемам корпоративных сред знаний, имеется в компьютерной прессе. Многие аспекты исследований в области создания электронных образовательных сред отражены в [4].
В настоящей работе изложены результаты построения и анализа модели интеллектуальной интегрированной электронной среды (ЭС) области знаний, включающие структурно-функциональные описания основных компонент ИС, ориентированных на использование в обучении и профессиональной деятельности, а также некоторые принципы формирования таких сред.
1. ЭС областей знаний
и корпоративные поля знаний
Структурно-функциональный подход к моделированию документальных ИС позволяет выделить как специальный класс среды областей знаний, являющиеся отражением содержания знаний предметной области (их отношения к реальному миру, эмпирической базы, языка области знаний, системы постулатов и закономерностей, методов анализа и синтеза, достигнутых результатов и их практического применения). Конкретные области деятельности используют, как правило, знания из нескольких предметных областей, которые интегрируются с помощью профессиональных знаний, основанных на практическом опыте. Интегрированная интеллектуальная информационная ЭС области деятельности называется корпоративным полем знаний. ИС обладает свойствами интеллектуальности, если в ней применяются технологии автоматизации процесса поиска путей решения задач и механизмов реализации решений, которые используют специальные способы представления и методы обработки знаний, основанные на моделировании общих и универсальных схем организации памяти и механизмов мышления человека. Свойства интеллектуальности, являющиеся обязательными атрибутами современных корпоративных полей знаний,
играют особую роль при создании таких сред, как образовательные, для которых характерны большие объемы эмпирических и слабо формализуемых соотношений и закономерностей, образующих предметные и профессиональные знания, поскольку эти свойства позволяют реализовать возможности, недостижимые традиционными технологиями. Основными видами интеллектуальных компонент корпоративных полей знаний являются базы предметных знаний, поддерживающие представление и обработку конкретных фрагментов предметных и профессиональных знаний, и базы метазнаний, обеспечивающие интеллектуальное управление массивами знаний и других ресурсов в составе среды, направленное на достижение целей и задач среды области знаний.
Отражение предметных знаний в ИС представляется в виде объединения систем иерархий разнородных, семантически связанных информационных объектов, называемого семантическим представлением области знаний. Универсальными информационными ресурсами (ИР) ЭС области знаний являются структурированные документы, в отдельных компонентах которых размещаются значения специальных типов. Разнообразие типов значений определяется особенностями областей предметных и профессиональных знаний. Развитая система типов предоставляет возможность гибкого сочетания моделей формализованного и неформализованного представления знаний и методов их обработки.
2. Цели и задачи ИС областей знаний
Интегрированные интеллектуальные информационные системы и среды, создаваемые в рамках конкретных предметных областей, используют технологии обработки знаний для решения следующих взаимосвязанных задач: представления в структурированном виде систем разнородных предметных знаний и метазнаний соответствующей предметной области; предоставления знаний, основанного на передаче знаний потребителям (пользователям) с помощью специальных процедур, обеспечивающих их усвоение и профессиональное использование.
Решение первой задачи основано на описании систем знаний специалистов в символьном виде (извлечении знаний), анализе выделенных экспертных знаний и последующем их отображении в структуру ИР образовательной среды (приобретении знаний). Особенностью процессов извлечения и приобретения знаний произвольной области деятельности является
потребность работы с нечетким, неточным, неполным и субъективным представлением экспертных знаний.
Цель процесса работы со средой области знаний -формирование у пользователей собственных систем знаний и навыков, покрывающих образовательные, информационные и профессиональные потребности. Реализующая его процедура использует методы передачи знаний (обучения), осуществляющие преобразование отдельных фрагментов систем знаний в составе ИС в структуру системы профессиональных и предметных знаний пользователей.
Специфика этих задач для создания профессиональных сред и систем областей знаний заключается в многозначности методических и дидактических подходов к их постановке и решению, порождающих многообразие систем передачи знаний (обучения) в рамках одной предметной области.
Извлечение и приобретение знаний. Решение задачи извлечения и приобретения предметных и профессиональных знаний основывается на следующих предположениях о характеристиках и механизмах формирования, представления и использования собственных знаний специалистами: конечности системы стандартных форм представления элементарных знаний, потенциальной осуществимости их описания и применения; объективном существовании полных систем семантических зависимостей для выделяемых семейств экспертных знаний; иерархической структуре системы используемых понятий и задач предметной области; иерархической многовариантной структуре информационных ресурсов в составе среды области знаний; существовании стереотипных последовательностей (сценариев) профессиональной деятельности, основанных на обработке знаний; возможности применения типовых последовательностей действий (этапов) для перехода от неточных и эвристических знаний к их точным и формализованным определениям.
На основе перечисленных предположений определяются следующие процедуры в составе процесса извлечения и представления знаний: выделение и анализ значимости структурных и концептуальных понятий области знаний, построение описаний понятий, классификация и установление связей между понятиями; определение набора типовых структур информационных ресурсов для элементарных информационных объектов в составе образовательной среды, форматов представления предметных и профессиональных знаний, способов комбинирования ресурсов; выделение системы типовых связей между элементами ИС, их описание и классификация; определение типовых структур сценариев работы с ИР, их описание и классификация; создание базовых (элементарных) ИР, на основе системы стандартных и специальных форматов представления знаний; семантическое связывание элементов информационной образовательной среды в структуры систем ресурсов разных типов с помощью системы типовых связей; классификация и группирование размещаемых систем элементарных ресурсов, учитывающие структурные и семантические зависимости; необходимое расширение наборов типовых
структур и связей ИР, учитывающее специфику отдельных областей знаний; уточнение системы используемых типовых сценариев, создание специальных сценариев работы с системами ресурсов, представление методов их исполнения, интегрируемых в систему структурных и функциональных компонент поля знаний; классификация и структуризация методов решения профессиональных задач с описанием параметров начальных данных и целей, определением структуры подзадач и уточнением типовых сценариев решения отдельных профессиональных задач, схем предоставления знаний и проведения оценки уровня предметных и профессиональных знаний пользователей.
Системы отношений, используемых для семантического связывания ресурсов среды области знаний, имеют внутреннюю структуру и разбиваются на классы общеупотребительных и специальных отношений, специфических для конкретной области и определяемых с учетом информационных потребностей пользователей.
Классификация ИР среды области знаний должна быть адаптивной, расширяемой и может быть многозначной. Адаптивность предполагает возможность выбора системы классификаторов на основе устанавливаемых потребителем приоритетов, в соответствии с которыми представляется доступ к ресурсам.
Стремление к полноте и многофункциональности среды области знаний, необходимость ее постоянного развития предполагает работу многих авторов на разных этапах построения среды. Допускается размещение в единой ИС как общепризнанных экспертных знаний, так и альтернативных точек зрения отдельных специалистов. При этом необходимо различать общепринятые и альтернативные авторские представления. Например, в ЭС могут быть представлены варианты ресурсов, в которых приводятся различные описания или толкования отдельных элементов содержания, элементов терминологических словарей, тематических блоков, других видов материалов. Совместное представление в составе ИС систем альтернативных и несовпадающих знаний разных уровней реализует свойство полноты приобретенных знаний, предоставляя возможность их совместного использования как в процессе формирования и анализа среды области знаний, так и для ее практического применения.
Предоставление знаний пользователям. Технология предоставления систем предметных и профессиональных знаний пользователям в процессе работы с содержимым ЭС должна обеспечивать формирование у них систем собственных знаний и навыков, относящихся к предметной области [5].
Главной целью процесса усвоения знаний при работе со средой является адекватность структуры и содержания приобретенных знаний, а также усвоенных механизмов их использования структурам системы ИР и механизмам обработки знаний в составе среды. Оценка усвоения знаний основывается на проведении тестирований, позволяющих устанавливать уровень имеющихся общих и специальных знаний и навыков управления такими знаниями при решении профессиональных за-
дач. Адекватность приобретенных пользователем знаний системе представленных в ЭС знаний, устанавливается с помощью специальных показателей степени усвоения отдельных разделов и итоговой оценки достигнутого уровня владения предметной областью, на основе которых можно формулировать предложения и рекомендации пользователям.
Для организации и управления работой пользователей с содержанием ЭС используются следующие операции: регистрация пользователей и построение описаний профессиональных целей и задач и требуемых знаний; определение начального уровня знаний пользователей и их психофизических особенностей, определение формы предоставления знаний и выбор необходимой траектории работы со знаниями; управление доступом и механизмами, предоставляемыми пользователям для работы с информационными ресурсами, включающими многоуровневый контроль результатов работы с элементами обратной связи; корректировка форм и методов представления информации, схем управления предоставлением ресурсов на основе объективных показателей результативности работы пользователя.
Кроме решения задач, связанных с усвоением предметных и профессиональных знаний, ИС корпоративного поля знаний должна обеспечивать: профессиональное консультирование и поиск ИР специалистами, автоматическое решение отдельных профессиональных задач пользователей на основе баз знаний, размещенных в составе среды области знаний.
2. Структурные компоненты сред областей знаний
Общая структура. Интеллектуальная ИС имеет вид иерархии связанных между собой семантических сетей и их фрагментов и состоит из онтологии и носителя ЭС области знаний. Минимальные элементы этой иерархии образованы первичными (элементарными) ИР (текстами, диаграммами, изображениями, таблицами, базами знаний). Другие уровни иерархии соответствуют фрагментам ИС, собираемым из элементов более низких уровней с помощью операций группирования и связывания в сети. Связи между элементами сетей отражают существенные смысловые (семантические) зависимости отдельных ИР (элементарных ИР, а также составляемых из них сложных объектов, включая подсети и классы) [6].
Онтологию области знаний образуют компоненты ИС, которые содержат общие и универсальные представления и структуры, определяющие свойства и форму конкретных ИР (манифесты), а также компоненты, используемые для построения и управления такими ресурсами. Носитель ЭС области знаний представляет собой совокупность всех первичных (элементарных) информационных объектов, содержащих конкретные сведения представляемой области знаний вместе с создаваемыми на их основе ресурсами сложной структуры.
Сеансы и сценарии работы со средой. Основной формой предоставления ИР пользователям является рассчитанный на непрерывное прохождение сеанс
взаимодействия с ЭС области знаний, который формируется из информационных (образовательных) и контролирующих блоков разных типов и уровней, блоков интерактивного консультирования и общения с авторами (инструкторами), блоков работы с профессиональными базами знаний [7]. Простейший сеанс состоит из одного информационного, образовательного или контролирующего блока, представляющего систематизированное изложение законченного фрагмента области знаний с компонентами самоконтроля или контроля (тестирования) для определения уровня приобретенного пользователем знания и способности применения знания в профессиональной деятельности. Всякий простейший сеанс выполняется на основе типового сценария обеспечивающего достижение цели сеанса с помощью определенных методических и дидактических приемов, использующих специальные способы отображения материалов и методы интерактивного взаимодействия пользователей со средой области знаний. Сложный или составной сеанс создается на основе сценария, который содержит управляющие элементы и определяет порядок работы с заданной системой простейших сеансов. Для отдельных видов профессиональной деятельности разрабатываются сценарии решения профессиональных задач, которые образуют специальный класс сценариев. На их основе осуществляется моделирование и управление выполнением пользователями последовательностей действий, соответствующих типовым процессам и регламентам профессиональной деятельности. Контроль соответствия действий, выбираемых пользователями, типовым сценариям позволяет оценивать уровень анализа конкретных ситуаций, осуществлять планирование и обучение процессам решения задач. Сценарии и функциональные механизмы среды области знаний должны обеспечивать реализацию разнообразных технологий предоставления знаний, направленных на достижение распознавательной, репродуктивной, продуктивной и творческой целей.
Структурные компоненты среды. Основными структурными компонентам ИС области знаний являются: содержание области знаний, представленное в форме многоуровневой иерархии заголовков основных разделов, наименований тем, вместе с системой разнообразных семантических ссылок на ресурсы в составе ИС; тезаурус (словарь понятий) области знаний, в котором содержатся структурированные описания специальных понятий и ссылки на материалы среды, связанные с элементами словаря, ссылки на другие словари и их элементы; классификатор ИР области знаний, осуществляющий стандартную многозначную классификацию всех типов ресурсов; система общих и специально разрабатываемых типов значений элементарных информационных объектов в составе среды; семейство типовых структур документов в составе ИС; система типовых и специальных сценариев (регламентов) работы с ресурсами ИС, опирающихся на программно реализованные методы обработки и предоставления данных; тематические ресурсы, представленные отдельными классами ин-
формационных материалов (документов) и системами таких материалов, связанных конкретными сценариями; система формализованных баз знаний, поддерживаемых механизмами решения задач на основе обработки знаний, предоставления получаемых результатов и разъяснения процесса решения; интерактивные справочники, включающие описания схем навигации и предоставляемых пользователям возможностей работы со средой; база данных пользователей, содержащая сведения об отдельных пользователях, целях и задачах использования среды, информационных потребностях, достигнутом уровне знаний, а также архив протоколов их работы со средой.
Объектная модель среды области знаний. Общий подход к построению сред областей знаний может быть реализован с использованием специального набора информационных объектов, представляющих существенные и общие структурно-функциональные свойства ресурсов различных областей знаний. На рисунке приведена иерархия (для отношения агрегирования) основных информационных объектов, реализованных в программном комплексе VEDA [5], предназначенном для создания и использования хра-
нилищ структурированных связанных документов в различных областях знаний.
3. Функциональные подсистемы информационно- образовательных сред
Приведем описание основных функциональных подсистем среды области знаний.
Подсистема разработчика. Для формирования коллективных и индивидуальных разделов ЭС используются следующие функции: регистрация авторов (разработчиков) ресурсов и творческих групп, назначение прав работы со средой; формирование системы типов значений; разработка типовых структур информационных объектов; создание отдельных документов и классов документов в составе среды; разработка общих механизмов работы с ресурсами, включая типовые схемы процессов и видов деятельности в среде области знаний; выделение и связывание массивов ИР с использованием семантических зависимостей для отдельных документов и их фрагментов с образованием именованных информационных структур в составе среды области знаний; классификация ИР и специальных фрагментов среды (пользовательских сред); формирование сценариев,
Пользовательские
среды
~М
Сценарии решения профессиональных задач
7Г7Г\
Модели
пользователей
Сеансы
пользователей
Информационные и контролирующие блоки .
Системы связанных документов и ресурсов
Классы документов и ресурсов
Сценарии работы с ресурсами
Структурированные документы, базы знаний, экспертные системы, тесты
Формы документов и схемы сценариев
Типы значений
Структура связей конструктивных элементов для ИС областей знаний
содержащих описания схем процессов, реализующих решение задач пользователей; построение баз предметных знаний, используемых для автоматического решения профессиональных задач и моделирования процессов работы со знаниями в задачах обучения и контроля; создание систем метазнаний, обеспечивающих проведение анализа, классификации и сравнения размещаемых информационных ресурсов.
Подсистема передачи знаний. Предназначена для организации и проведения сеансов работы пользователей и реализует функции регистрации и назначения прав пользователей, навигации и поиска в среде области знаний на основе системы классификаторов и систем семантических связей ИР, именованных систем ресурсов, построения модели пользователя и планирования сеансов работы со средой, выделения пользовательского фрагмента среды области знаний и создания локальной ИС отдельного пользователя, выполнения отдельного сеанса работы пользователя со средой, консультирования пользователей с помощью справочной подсистемы, предоставляющей сведения о содержании размещенных ресурсов, технологиях и правилах работы со средой, организации удаленного общения с авторами (экспертами).
Подсистема контроля. Для управления процессами работы отдельных пользователей со средой и учета достигнутых результатов реализуются функции контроля уровня усвоения пользователями отдельных знаний, предоставляемых при работе с фрагментами ИС; контроля профессиональных навыков, завершающего этапы изучения отдельных разделов среды области знаний и основанного на моделировании профессиональных задач и ситуаций; комплексного тестирования систем приобретенных знаний и навыков профессиональной деятельности в предметной области и ее частях; мониторинга результатов обучения отдельного пользователя и сертификации полученных знаний; анализа и предоставления результатов сеанса, выбора следующего сеанса (этапа) и управления доступом к необходимым ресурсам.
Контроль уровня знаний пользователей состоит в оценке объема усвоенных знаний и показателей качества их применения при решении предметных и профессиональных задач.
Предлагаемая структурно-функциональная модель среды области знаний позволяет автоматизировать процессы построения (генерации) контрольных заданий разных уровней, определения форматов предоставления ответов и проверки правильности ответов пользователей на основе сравнения ответов и содержания ИС.
Подсистема обработки профессиональных знаний. Предназначена для консультирования и автоматического решения задач пользователей на основе технологий обработки знаний и включает следующие функции:
• структурированное предоставление содержания баз знаний;
• профессиональное консультирование на основе экспертных знаний;
• удаленное автоматическое решение отдельных профессиональных задач пользователей, включающее интерактивное консультирование, постановку задач и обоснование получаемых результатов;
• обучение методам и технологиям решения предметных и профессиональных задач на основе пошаговой интерпретации работы механизма вывода в базах знаний;
• разъяснение решений контрольных, тестовых и профессиональных задач, особенностей применения отдельных знаний в профессиональной деятельности;
• организацию интерактивного контроля приобретенных знаний и опыта на основе моделирования процессов работы со знаниями;
• анализ полноты, целостности и непротиворечивости представленной системы знаний на основе баз метазнаний и использование его результатов для управления структурой и содержанием среды области знаний.
Подсистема анализа и статистики. Традиционная для современных ЭС компонента предназначена для формирования данных учета процессов работы с ресурсами среды области знаний, использующего базы данных зарегистрированных пользователей и протоколы работы со средой.
Заключение
Возможность практической реализации предложенной модели построения и использования сред областей знаний основывается на существовании развитой системы стандартов и языков описания структур и функциональности ИС (XML RDF, IMS, ISO/IEC 10178:1996 и др.) эффективных средств разработки их компонент, включающих мощные пакеты программ и оболочки, предоставляющие универсальные сервисные функции (IBM WebSphere, Oracle Portal, сервер OC4J).
Серьезной проблемой построения среды области знаний является необходимость создания достаточно универсальных технологий выделения и структуризации предметных и профессиональных знаний, а также инструментальных средств для реализации этих технологий. Вариант такой технологии реализован в программном комплексе VEDA, обеспечивающем последовательное проектирование, создание и связывание информационных объектов в составе ЭС областей знаний, с использованием разных подходов к представлению и использованию знаний и методов их обработки, автоматизирующих решение разнообразных профессиональных задач [8, 9].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 02-07-90156.
Литература
1. Brusilovsky P. New Information Technologies and the Emergence of the Virtual University. Amsterdam, 2001. Р. 167206.
2. Kinshuk, Patel A. Intelligent Tutoring Tools on the Internet - Extending the Scope of Distance Education. 18th ICDE World Conference. Pennsylvania, 1997. June 2-6.
3. Nakabayashi K. et al. Architecture of an Intelligent Tutoring System on the WWW, Proceedings of the 8th World Conference on Artificial Intelligence in Education - Knowledge and Media in Learning Systems (AI-ED'97), Kobe. Japan, 1997.
4. Основы открытого образования / Под ред. В.И. Сол-даткина. М., 2002.
5. Белкин В. Ю. и др. // Современная образовательная среда: Тез. докл. Всерос. конф. М., 2001. С. 23-25.
6. Костенко К.И. и др. // Научный сервис в сети Интернет: Тр. Всерос. науч. конф. (24-29 сент. 2001 г., Новороссийск). М., 2001. С. 151-154.
7. Белкин В.Ю. и др. // Тр. 10 Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика-2003». 14-17 апреля 2003 г., СПб, 2003. С. 429-431.
8. Белкин В.Ю. и др. // Тр. Всерос. науч.-метод. конф. «Телематика-2002». 3-6 июня 2002 г., СПб, 2002. С. 8688.
9. Костенко К.И. и др. // Тр. Всерос конф. «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 2002. С. 238240.
Кубанский государственный университет_____________________________________________________12 мая 2003 г.
